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Verfahren und Einrichtung zum Anfahren von Diesellokomotiven Die Erfindung
bezieht sich auf Diesellokomotiven mit unmittelbarer Verbindung zwischen Motor und
Treibachsen, bei denen das Anfahren aus dem kalten Ruhezustand durch Druckluft-Brennstoffverbrennungen
vorgenommen wird. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um die Verbrennungsvorgänge
der wachsenden Geschwindigkeit beim Anfahren anzupassen und den Druckluftverbrennungsbetrieb
störungsfrei in den reinen Dieselbetrieb überzuleiten.
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Das Verfahren beruht auf der Feststellung, daß beim Druckluftverbrennungsbetrieb,
bei dem gleichzeitig während einer gewissen Strecke des Kolbenvorganges Druckluft
und Brennstoff eingeführt und letzterer an einer Zündvorrichtung verbrannt wird,
andere Anforderungen an die Art der Brennstoffzuführung gestellt werden müssen als
beim normalen Dieselbetrieb. Bei den Druckluftverbrennungen muß der auf den genzen
Bereich der Druckluft zugeführte Brennstoff mit möglichster Streuung, aber geringer
Durchschlagskraft eingespritzt werden. Eine zu starke Durchschlagskraft würde mit
Rücksicht darauf, daß die ersten Verbrennungen mit geringerem als dem normalen Verdichtungsdruck
ausgeführt werden, bewirken, daß der Brennstoff wegen des geringen Luftwiderstandes
und der geringen Kolbengeschwindigkeit an die Zylinderwandung geschleudert wird,
bevor er zur Verbrennung gelangt, und dann zum Teil unverbrannt an den Zylinderwandungen
entlang laufen kann. Erreicht wird eine solche Einspritzung mit starker Streuung
und geringer Durchschlagskraft beispielsweise durch eine Dralldüse unter Verwendung
geringen Einspritzdruckes. Auch aus dem Grunde darf der Einspritzdruck nicht zu
hoch sein, weil die Brennstoffsäule nach jeder Einspritzung entlastet wird, um ein
Nachtropfen zu verhindern, undvor j ederEinspritzung also von neuem auf den Einspritzdruck
gebracht wird, wozu wegen der Kompressibilität des Öles ein um so größerer Kurbelwinkel
gehört, je höher der Einspritzdruck ist. Auch braucht bei den Druckluftverbrennungshüben
die Durchschlagskraft nicht so groß zu sein, um den Brennstoff den entfernteren
Luftteilchen zuzuführen, weil die Verbrennungsluft nicht als Vorrat vorhanden, sondern
mit dein Brennstoff in dessen Nähe eingeführt wird. Bei den normalen Dieselverbrennungen
ohne Druckluft muß dagegen die Brennstoffeinspritzung diejenige Durchschlagskraft
haben, die sich aus der gegebenen Form des Verbrennungsraumes ergibt, und die stark
genug bemessen sein muß, um alle Teile des in diesem Falle an sich nicht stark durchwirbelten
Luftraumes zu erfassen zwecks Sicherung günstigster Brennstoffausnutzung
und
geringen Luftüberschusses. Diese hohe Durchschlagskraft erfordert im allgemeinen
einen höheren Einspritzdruck, als er aus den oben angeführten Gründen für die Druckluftverbrennungen
erwünscht ist.
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Gemäß der Erfindung werden daher zwei verschiedene Systeme für die
Brennstoffeinspritzungen angewandt, ein erstes für , die Druckluftverbrenn.ungen,
das mit geringerer Durchschlagskraft den Brennstoff fein verteilt, ein zweites für
den normalen Dieselbetrieb, das mit geringerer Streuung dem Brennstoffstrahl größere
Durchschlagskraft erteilt, und zwar wird man vorteilhaft die Ein- und Ausschaltung
der beiden Brennstoffpumpensysteme mit dem Hauptsteuerhebel in Verbindung bringen,
der den Eintrittswinkel der Druckluft und damit auch der Druckluftverbrennung bestimmt.
Die Verbindung dieser Organe wird so hergestellt, daß beim Ingangsetzen der kalten,
ruhenden Maschine, bei der die Druckluftverbrennung auf dem größten Kurbelwinkel,
beispielsweise zoo°, erfolgt, zunächst nur das erste System eingeschaltet ist, und
daß bei Weiterbewegung des Hauptsteuerhebels mit fortschreitender Geschwindigkeit
der :Maschine sowohl der Zutrittswinkel der Druckluft als auch der Einspritzwinkel
des Brennstoffes vermindert wird bis zu einem gewissen Punkt, wo nunmehr das zweite
Brennstoffsystem eingeschaltet wird. Bei weiterer Verminderung des Eintrittswinkels
der Druckluft wirken nun beide Systeme zusammen, wobei der Einspritzwinkel bzw.
die Einspritzmenge des ersten Systems immer weiter vermindert, die Einspritzmenge
des anderen Systems immer mehr vergrößert wird, bis bei Erreichung einer gewissen
Geschwindigkeit der Lokomotive mit reinen Dieselverbrennungen zunächst noch mit
Luftladung, dann ohne diese gearbeitet werden kann, in welchem Zustand sowohl die
Druckluft als auch das erste Brennstoffpumpensystem ganz abgeschaltet werden kann.
Hierbei ist allerdings eine Einschränkung insofern zu machen, als es sich empfiehlt,
auch bei Absperrung der Druckluft durch die Düsen des ersten Brennstoffsystems bei
jedem Hub noch kleine Brennstoffmengen einzuspritzen, um das Zusetzen der Düsen
zu verhindern. Es ist ferner zu bemerken, daß der Hauptsteuerhebel nicht allein
maßgebend ist für die jeweilig zugeführte Druckluftmenge, daß vielmehr noch ein
Luftdrosselorgan eingeführt werden muß, um einesteils die Zugkraft der Lokomotive
der zu beschleunigenden Masse anzupassen, anderseits bei großem Lufteintrittswinkel
erst mit niedrigem Druck anzufahren und eist bei Verminderung des Lufteintrittswinkels
mit steigender Lokomotivgeschwindigkeit den Druck allmählich auf den vollen Verdichtungsdruck
des Dieselbetriebes zu steigern. Einspritzbrennkraftmaschinen mit mehreren Brennstoffdüsen
in einem Verbrennungsraum sind bekannt. Hierbei handelt es sich aber um Brennstoffdüsen
gleicher Konstruktion und Betriebseigenschaften, die über einer bestimmten Belastung
gemeinsam und unter dieser Belästung nur zum Teil betrieben werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Abb. x enthält ein Fahrdiagramm zur Darstellung der Stellung der verschiedenen
Steuerorgane in Abhängigkeit von der fortschreitenden Geschwindigkeit. Abb. 2 zeigt
eine schematische Ausführungszeichnung eines Maschinenzylinders mit den zugehörigen
Steuerorganen.' In Abb. x stellt die Linie a die Größe des im Kurbelkreis gemessenen
Eintrittswinkels der Druckluft dar,- beginnend mit zoo° bei der Anfangsgeschwindigkeit
o und endigend mit o° bei Erreichung einer Geschwindigkeit von 5o km/Std. Die Linie
b bedeutet die Einspritzdauer des Brennstoffes des ersten Brennstoffpumpensystems,
gleichfalls gemessen in Graden des Kurbelkreises. Sie beträgt bei der Anfangsgeschwindigkeit
o auch zoo° und endet mit ungefähr g° bei einer Geschwindigkeit von 4o km. 'Der
Einspritzwinkel von 5 ° wird während der ganzen Fahrtdauer aufrechterhalten, um
ein Verschmutzen der Düse zu verhindern. Die Linie c bedeutet den Zuführungsdruck
der Druckluft, die bei der Anfangsgeschwindigkeit o etwa 15 at beträgt und bei einer
Geschwindigkeit von etwa 5o km 40 at erreicht. Ferner zeigt die Linie d den Beginn
und die Dauer der Brennstoffeinspritzung des zweiten Brennstoffpumpensystems.
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Aus dem Diagramm ist erkennbar, daß die Linien a und
b bei einer Geschwindigkeit von etwa 25 km/Std. eine Unstetigkeit aufweisen.
Diese ist auf den Beginn des Arbeitens des zweiten Brennstoffpumpensystems zurückzuführen.
Die Linie d zeigt bei etwa 4o km/Std. ihren Höhepunkt. Hier hört die Einspritzung
des ersten Systems im wesentlichen auf. Es vollzieht sich von 4o bis zoö km der
reine Dieselbetrieb, der nur mit dem zweiten System durchgeführt wird, und zwar
von 4o bis 5o km mit Luftnachladung, dann ohne diese. Es wird dabei vorausgesetzt,
daß der Haupthebel r in Abb. 2 nicht nur zur Schaltung der Druckluft, sondern auch
zur Ein- und Ausschaltung und Regelung der beiden Brennstoffpumpensysteme dient,
so daß also auch die Regelung der Brennstoffzufuhr auf der Strecke von 4o bis zoo
km, auf der die Druckluft abgeschaltet ist, durch diesen Haupthebel erfolgt.
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In der Abb. 2 ist f der Arbeitsraum eines Dieselmotorzylinders, g
die Brennstoffdüse des ersten Systems, h die Brennstoffdüse des zweiten Systems,
i das Druckluft-Einlaßventil und o das Luftdrosselventil in der Druckluftleitung.
Der
Haupthebel l verschiebt durch die Stange il die Steuermuffe i2 und steuert damit
den Einspritzwinkel des Druckluftventils i. Er verschiebt ferner durch Vermittlung
zweier Stirnräder und der Stangen /l und lt, die Steuermuffen g2 und h2 der
Pumpen g3 und h3, die auf die Brennstoffdüsen g und lt wirken.
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Der Bewegungsbereich des Hebels l und damit auch der Drehwinkel der
beiden Zahnräder ist in der Zeichnung durch einen `'Winkel o-5o-ioo dargestellt.
Hierbei bedeuten o und Zoo die beiden Endstellungen und 5o die Mittelstellung des
Hebels Z und des Hebels y, an den die Stangen g1 und lal angreifen. Dargestellt
ist in der Zeichnung die Mittelstellung 5o.
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Der Unterschied der beiden Einspritzdüsen ist, abgesehen von der Dauer
der Einspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse g des ersten Systems unterhalb
des Ventilsitzes ein Einsatzstück mit Spiralnuten enthält, so daß der Brennstoffstrahl
eine starke Streuung aufweist, während die Düse h des zweiten Systems eine einfache
Mehrlochdüse ist. Ferner ist die Nadel der Düse g nur mit einer verhältnismäßig
schwachen Feder belastet, während die Nadelbelastung der Düse h durch eine wesentlich
stärkere Feder h3 zwecks Erzielung eines größeren Einspritzdruckes erfolgt.
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Außer dem Hauptsteuerhebell ist noch ein Drosselhebel m vorhanden,
der auf das Drosselorgan o einwirkt, um die von dem Druckluftbehälter p dem Zulaßventil
zuströmende Luft zu drosseln. An geeigneter Stelle ist ferner im Zylinder noch ein
Entlüftungsventil q vorgesehen. Dieses muß so gesteuert werden, daß während der
ersten Diagramme unmittelbar nach dem Ingangsetzen der noch ruhenden Maschine die
Zylinder vollständig entlüftet sind, um möglichst jeden störenden Gegendruck beim
Kolbenrückhub zu vermeiden. In dem Maße, wie das Drosselorgan o mit fortschreitender
Geschwindigkeit der Maschine gemäß der Kurve c (Abb.i) auf größeren Zuführungsdruck
der Druckluft eingestellt wird, muß der Schluß des Entlüftungsventils früher erfolgen,
so daß sich allmählich ein wachsender Verdichtungsdruck in der Maschine einstellt,
bis bei Erreichung von 2okm/Std. mitEinsetzen deszweiten Pumpensystems und der reinen
Dieselverbrennungen der volle Verdichtungsdruck erreicht ist.
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Die Steuerung des Ventils q kann selbsttätig durch die Strömung der
im Verdichtungshub durch das Ventil entweichenden Luft erfolgen. Zu diesem Zweck
ist es so eingebaut, daß die durch das Ventil ausströmende Luft es zu schließen
strebt, und zwar gegen einen entsprechend abgestimmten Gegendruck, der beispielsweise
durch eine Feder oder durch einen Druckluftkolben erzeugt wird. Bei den ersten,
ganz langsamen Kolbenhüben ist die Drosselwirkung des offengehaltenen Ventils q
so gering, daß es während des Verdichtungshubes noch nicht schließt. Erst die im
Totpunkt durch das Ventil i einströmende Druckluft erhöht den Druck im Zylinder
plötzlich so stark, daß ein das Ventil sofort schließender Überdruck entsteht. Mit
fortschreitender Geschwindigkeit des Kolbens in den nächsten Kolbenhüben vermehrt
sich die Drossehvirkung der nun schneller durch das Ventil strömenden Luft derart,
daß das Ventil schon früher unter Überwindung des Gegendruckes zugeschlagen wird
und daher eine mäßige Verdichtungsspannung im Zylinder entsteht, bevor die Druckluft
einströmt.
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Die Abb. i läßt die unter Mitwirkung des Entlüftungsventils zustande
kommenden verschieden geformten Arbeitsdiagramme in Abhängigkeit von der wachsenden
Lokomotivgeschwindigkeit erkennen. Bei der Geschwindigkeit o ist der Zylinder von
der Verdichtung völlig entlastet. Die Druckluftverbrennung dauert während etwa '=/3
des Kolbenhubes an, worauf eine kurze Expansionsperiode und danach Auspuff und Spülung
erfolgt. Bei io km/Std. ist schon eine kleine Verdichtung, einsetzend etwa im letzten
Fünftel des Kolbenhubes vor Totpunkt, erkennbar. Die Einströmung der Druckluft erfolgt
entsprechend der größeren Öffnung des Drosselorgans o mit höherem Druck, die Druckluftverbrennung
dauert aber nur auf einem kürzeren Kolbenweg (etwa 5o°/,) an, worauf eine entsprechend
längere Expansion einsetzt. Bei 30 km/Std. findet die Verdichtung bereits
im letzten Drittel des Kolbenhubes statt. Die Verbrennung erfolgt hier durch Zusammenwirken
beider Pumpensysteme (gemäß den Diagrammlinien a und b
in Abb. i), was aus
dem spitzen Ansteigen des Diagramms erkennbar ist. Bei ,4o km/Std. ist nur noch
das zweite Pumpensystem d wirksam, das Arbeitsdiagramm zeigt daher volle Verdichtungsspannung
und reine Dieselverbrennung. Bei 8o km/Std. ist ebenfalls ein reines Dieseldiagramm,
jedoch mit geringerer Füllung und dementsprechend mit kleinerem Flächeninhalt zu
erkennen.